對屋面風荷載設(shè)計的探討和建議

　　雖然以上僅為兩次臺風襲擊浙江地區(qū)的資料, 多次風災(zāi)調(diào)查表明，房屋屋面受損嚴重。為慎重起見，建議：臺風地區(qū)的屋面基本風壓的重現(xiàn)期取值按《GB50009》附表D.4提高到100年為宜。

　　2．風荷載有可能是屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計的控制性荷載
　　對于輕型屋面和弧狀屋面更要注意。近年來，弧狀屋面由于其優(yōu)美的造型，被廣泛應(yīng)用于車站、 體育館等大型公共設(shè)施。弧狀屋 面的局部風壓系數(shù)、屋面內(nèi)外壓及體型系數(shù)，對屋面材料選擇和屋面整體設(shè)計至關(guān)重要。

　　圖6為一大型弧狀屋面示意圖，該屋面由15片弧形板組 成，兩相鄰弧形板有部分重疊。風向沿跨度方向時，各片板上風壓分布幾乎相同。圖7給出風向沿跨度方向時，屋面中央弧形板上的平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)分布。由圖7a可見，屋面上平均風壓系數(shù)均為負值，從迎風的屋面邊緣到中心，存在較大的負風壓區(qū)，風壓系數(shù)約為-0.7；從中心到背風向屋面邊緣，風壓系數(shù)逐漸降至約-0.4。

　　屋面上脈動風壓系數(shù)在背風端約為0.2，而在迎風端小于0.2。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于迎風區(qū)均位于分高氣流之下，而流動再附出現(xiàn)在背風面。試驗結(jié)果表明風壓系數(shù)均為負值，從迎風的屋面邊緣到中心，存在較大的負風壓區(qū)，風壓系數(shù)約為-0.7；從中心到背風向屋面邊緣，風壓系數(shù)逐漸降至約-0.4。屋面上脈動風壓系數(shù)在背風端約為0.2，而在迎風端小于0.2。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于迎風區(qū)均位于分高氣流之下，而流動再附出現(xiàn)在背風面。試驗結(jié)果表明背風屋面瞬時最大風壓系數(shù)為正值，且越靠近背風屋面邊緣的地方，其值越大。

　　圖8為一組合弧狀屋面,由中間的穹頂和四角上懸臂曲面組成。由于其為開敞式結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時考慮內(nèi)壓和外壓。兩個風向角下風壓系數(shù)等值線示于圖9。從圖中也可看出，迎風屋面邊緣處出現(xiàn)較高的負風壓系數(shù)-l.5，且由于其組合形狀復(fù)雜，屋面風壓分布不大規(guī)則，但關(guān)于風向仍具對稱性。

　　由于這種組合弧狀屋面結(jié)構(gòu)較輕且具有開敞形式，風荷載對結(jié)構(gòu)的作用不容忽視，表1給出由于風荷載而產(chǎn)生的各內(nèi)力的最大值，括號中的數(shù)字為均勻自重荷載引起的相應(yīng)值。可見風荷載對結(jié)構(gòu)的作用遠大于自重的作用，風荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制性荷載。

　　現(xiàn)代大型屋面均具有質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特點，屋面結(jié)構(gòu)自振周期與風速的長卓越周期較為接近，因而風荷載成為控制屋面設(shè)計的主要荷載。

　　3．屋面形狀及其局部結(jié)構(gòu)形式對屋面風荷載大小及其分布均有重大影響
　　不同的屋面形式，其表面風壓分布特征各異。對于低層房屋常用的坡屋面，四坡屋面總的來說比普通人字形屋面具有更好的抗風性能，這是由于四坡屋面轉(zhuǎn)角處的結(jié)構(gòu)形式可有效地降低峰值吸力。這說明屋面轉(zhuǎn)角處的結(jié)構(gòu)形式對局部風壓分布有重要影響。許多屋面破壞實例表明，破壞大都首先出現(xiàn)在屋面轉(zhuǎn)角、邊緣和屋脊等部位。屋面風荷載主要集中在屋面懸挑部分，尤其是前緣處。前線的負壓最大且變化劇烈，其值與懸挑長度、懸挑部分水平傾角、前緣外形等有關(guān)。最大負風壓系數(shù)大都出現(xiàn)在屋檐尖角、屋脊或鄰近處。由此可見，屋面形狀及其局部結(jié)構(gòu)形式對屋面風荷載大小及其分布均有重大影響。

　　風荷載作用下，屋面常承受很大的負壓。從各種形式的屋面風壓分布也可以看出，凡是負壓特別高的部位，總是伴有流動分離現(xiàn)象出現(xiàn)，特別是在屋檐、屋脊、屋面邊緣和轉(zhuǎn)角等幾何外形突變的部位，常產(chǎn)生流動的分離與再附。可以說，由于屋面幾何外形的突變而引起的流動分離是導(dǎo)致屋面破壞的最普遍原因。

　　4．屋面風荷載設(shè)計宜分別按屋面結(jié)構(gòu)，上、下表面的最不利風荷載進行設(shè)計
　　屋面結(jié)構(gòu)的風壓計算應(yīng)考慮上下表面風壓值疊加。對于開敞式屋面結(jié)構(gòu)，上下表面都受到風的作用，而設(shè)計支承結(jié)構(gòu)時需要的是屋蓋上、下表面的風壓差，即凈風壓。一般來說凈風壓不完全等于屋面上表面或下表面所受風壓，所以只考慮凈風壓的設(shè)計，結(jié)構(gòu)可能安全，而屋面的上表面、下表面可能不安全。值得注意的是，在某些施工狀態(tài)下，屋面上下表面同時受風吸、風壓作用，風壓系數(shù)及體型系數(shù)均大于營運狀態(tài)。某民房因正處于施工階段，大尺寸窗戶開敞而導(dǎo)致了屋面受風破壞。內(nèi)外壓力共同作用的例子對懸挑屋檐最為明顯，屋檐上表面因流動分離而產(chǎn)生負壓，下表面由于風被墻體阻擋而淤塞在屋檐下產(chǎn)生正壓，負風壓為兩者絕對值之和，因而屋檐較易受風破壞。屋面一般有上表面板和下表面板，檐口是上下兩層板（例如鋁板）組成的封閉的盒子。建議屋面風荷載設(shè)計宜分別按屋面結(jié)構(gòu)，上、下表面的最不利風荷載進行設(shè)計。

　　5．對屋面風荷載設(shè)計的安全系數(shù)加大20～30%為宜
　　河南省體育館、上海大劇院屋面破壞、廣州海珠區(qū)一間汽車修理廠的屋頂被刮倒等事例，說明考慮風致耦合振動的重要性，結(jié)構(gòu)的形式會對來流風場產(chǎn)生很大的影響，從而顯著改變結(jié)構(gòu)上的荷載！通常這類建筑都進行了風洞試驗，而我國的設(shè)計規(guī)范目前是無法充分考慮這種影響的，因此，這個事故的發(fā)生，可能會有設(shè)計或施工中的問題，但其本質(zhì)的問題很有可能是目前尚未有效搞清楚大跨屋蓋的風致耦合振動的問題，也是風工程研究的一個難點！

　　屋面結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)是一個十分復(fù)雜的問題。屋面相對于建筑物主體而言柔度較大，易產(chǎn)生彈性風致振動。建筑物內(nèi)壓紊流引起的屋面振動也不可忽視。由于屋面的柔性可降低其頻率，同時引起較小的附加阻尼，這樣內(nèi)壓紊流易產(chǎn)共振，共振是導(dǎo)致柔性屋面破壞的重要原因之一。在臺風多發(fā)地區(qū)，屋面結(jié)構(gòu)常發(fā)生共振破壞。風引起的強大吸力及其脈動效應(yīng)和因屋面結(jié)構(gòu)的柔性而引起的風振等所致屋面結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動力效應(yīng)常會使屋面遭受破壞。目前國內(nèi)在這方面的研究成果較為少見，在沒有進一步深入研究成果入之的，為慎重起見，建議對屋面風荷載設(shè)計的安全系數(shù)加大20～30%為宜。

　　由于人們對結(jié)構(gòu)造型美觀的要求越來越高，屋面結(jié)構(gòu)的抗風性能好與造型優(yōu)美常不能統(tǒng)一，一般來講，由于屋面風壓分布受屋面幾何外形的影響甚大，對于特殊形式的屋面，其風荷載應(yīng)通過風洞試驗確定。適當增加屋面粗糙度有利于降低屋面風吸力；對屋檐、屋脊和屋面轉(zhuǎn)角等常受較高吸力的部位，局部構(gòu)件應(yīng)作適當加強，同時應(yīng)加固屋面與主體結(jié)構(gòu)的連接。

　　6．建立“臺風幕墻學(xué)”

　　我國海岸線漫長，其中東南沿海每年臺風頻繁，廣東、浙江、福建、海南等地又是我國經(jīng)濟發(fā)達或正在成長的地區(qū)，有必要建立“臺風幕墻學(xué)”。

　　屋面風荷載問題相當復(fù)雜，有必要展開進一步的理論與試驗研究。本文的一些探討及建議僅供參考，不妥之處，敬請指正。

　　主要參考文獻：

　　1．《屋面風荷載及風致破壞機理》程志軍 樓文娟 孫炳南 唐錦春 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報 2000年 8月
　　2．《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2001）
　　3．9417號臺風對溫州民房破壞調(diào)查 孫炳南 傅國宏 陳鳴 唐錦春 第七屆全國結(jié)構(gòu)風效應(yīng)會議論文集
　　4．大型弧狀屋面風壓風洞試驗研究 葉倩 徐有恒 第五屆全國風工程及工業(yè)氣動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集
　　注：文件圖片太多，上傳困難。大家可參考2005年4月《裝飾裝飾》 

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